[論文レビュー] Observational constraints of a Milne Universe

A. Benoit-Lévy, G. Chardin|ArXiv.org|Nov 13, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、物質と反物質が空間的に分離されており、反物質が負の有効重力質量を有する対称的ミルン宇宙モデルを提案する。このモデルは、ダークエネルギーおよびダークマターを必要としない平坦な時空宇宙論をもたらし、初期核合成、Ia型超新星の距離輝度、およびCMB音響ピークの位置といった主要な宇宙論的観測をうまく再現する。これは、標準モデルとは根本的に異なるが、観測データと驚くほど整合的であることを示している。

ABSTRACT

The Standard Model of cosmology states a surprising composition of the Universe, in which ordinary matter accounts for less than 5%. The remaining 95% are composed of ~70% Dark Energy and ~25% Dark Matter. However, those two components have never been identified and remain a challenging problem to modern cosmology. One alternative to the concordance model could be the symmetric Milne universe, composed of matter and antimatter (supposed to have negative mass) in equal quantities. We will present the effects of these hypothesis on classical cosmological tests such as primordial nucleosynthesis, CMB, or Type Ia supernovae and show that this model is in remarkably good agreement with observations.

研究の動機と目的

• ダークエネルギーおよびダークマターを回避するため、物質と反物質が等量であり、反物質が負の重力質量を有するという仮定に基づく、標準ΛCDMモデルの宇宙論的代替を検討すること。
• 宇宙の説明不能な構成（95％がダーク成分）という根本的問題を、対称的で幾何学的に自然なモデルによって解決すること。
• この対称的ミルン宇宙が、初期核合成、Ia型超新星の距離、CMB音響ピーク位置といった主要な観測制約を再現できるかどうかを検証すること。

提案手法

• 平坦な時空と双曲的空間幾何、線形膨張を特徴とするミルン宇宙論の枠組みを採用する。
• 一般相対性理論におけるKerr-Newman解の対称性、特に電荷と質量の反転対称性に基づき、反物質に負の有効重力質量を割り当てる。
• 大規模な重力効果がキャンセルされるため、ミルン的振る舞いを示す物質-反物質エマルジョンとして宇宙をモデル化する。
• 膨張が遅いため、時間スケールがT ∝ t⁻¹となるように修正し、観測された⁴Heおよび⁷Liの割合に合うよう、バリオン対光子比ηを8×10⁻⁹に調整して、初期核合成の生成物を計算する。
• SNLSの初年度データから得られるIa型超新星の距離輝度を、ミルンモデルにフィットさせ、絶対等級を自由パラメータとして扱う。
• 再結合時の音響スケールと天球距離を用いて、最初のCMB音響ピークの角度スケールを計算し、観測された度単位スケールと一致することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質と反物質（反物質が負の重力質量を有する）を有する対称的ミルン宇宙は、微調整やダークマターなしに観測された初期核合成生成物を再現できるか？
• RQ2 ダークエネルギーを欠き、加速を示さないミルンモデルでも、宇宙の加速を示唆するIa型超新星データと整合性を保てるか？
• RQ3 開放的空間幾何と長いスケールを持つミルン宇宙において、CMBパワースペクトルの最初の音響ピークの位置を正確に予測できるか？
• RQ4 物質-反物質ドメイン境界での反物質拡散および消失反応が、ヘリウム4や⁶Liのような軽い元素の生成に与える影響は何か？
• RQ5 ダーク成分を一切含まないにもかかわらず、ミルンモデルがΛCDMモデルと比較してどの程度宇宙論的データに適合できるか？

主な発見

• η = 8×10⁻⁹の対称的ミルン宇宙は、標準モデルと比較して10⁷倍長い核合成スケールを持つにもかかわらず、⁴Heおよび⁷Liの生成物が観測値と整合的である。
• SNLS協会のIa型超新星データは、ミルンモデルでも、ΛCDMモデルと比較してわずか0.1マグニチュードのずれでフィットし、絶対等級のわずかなシフトで十分である。
• ミルン宇宙における最初のCMB音響ピークの角度スケールはθ ≈ 1.1°と計算され、開放的幾何と長いスケールの相殺により、観測された度単位スケールと一致する。
• 物質-反物質ドメイン境界での拡散および非熱的反応によって生成される重水素および⁶Liは、T ≈ 1 keVにおけるドメインサイズが約10¹⁴ m程度の条件で、観測された生成物を説明できる。
• インフレーションを必要とせず、ミルンモデルは自然にホライズン問題を解決し、年齢が139億年であり、観測された年齢と一致するため、微調整を必要としない。
• 核合成、超新星、CMBの複数の宇宙論的テストにおいて一貫性を示すため、ミルンモデルはΛCDMモデルの妥当な代替案であると考えられるが、CMBスペクトルの完全な解析は未実施である。